变频器和非线性负载的广泛使用导致电机铁心磁场中含有谐波分量,这将改变铁心材料的磁特性、磁致伸缩特性和损耗特性,这些特性对于高功率密度电机的优化设计具有重要意义。谐波磁化下铁心材料特性的准确描述需要建立恰当的磁滞或磁致伸缩模型。目前国内外学者研究的磁滞模型从尺度上可以分为微观、介观和宏观尺度,其中微观尺度模型计算时间长不适用于电工钢片磁特性计算,宏观尺度的传统磁滞模型缺少对磁化物理理论的详细表述,计算实际工况下磁滞特性精度受限。近年来,国外学者提出一种多尺度能量模型,该模型将介观尺度磁畴磁化机理与宏观尺度磁特性相结合。本文在国家自然科学基金资助下,基于介观尺度磁畴自由能建立了谐波磁化下的多尺度磁畴能量模型,该模型不仅考虑磁场还能耦合机械力场对材料磁特性的影响。通过计算磁畴总能量密度函数的最小值确定了磁畴的磁化状态,根据平均化原理进一步模拟了谐波磁场作用下的一系列磁滞回环(包含局部磁滞回环),并将该磁滞模型应用到一台异步电机的铁心磁性能分析中,为实际工况下电气设备中磁性材料磁性能的精细模拟做出了一种新的尝试。本课题主要研究内容有:首先,基于5种磁畴自由能建立了多尺度磁畴能量模型,根据模型的结构和原理对磁畴能量公式进行优化,同时为了考虑谐波磁化下电工钢片出现的磁滞效应引入了钉扎能量,并基于Stop算子模拟了这种钉扎效应。此外,利用实验室现有的磁特性和磁致伸缩特性实验设备,测量并分析了不同谐波次数磁场下无取向硅钢片的磁特性。其次,根据实验数据对多尺度磁畴能量模型参数进行了识别,然后通过MATLAB编写遗传算法程序计算能量局部最小值确定了磁畴的磁化矢量方向和体积分数,从而得到宏观磁滞特性。将模型模拟结果与实验测量结果进行了对比,验证了多尺度能量模型的有效性。讨论了用含有2个磁畴和6个磁畴模型模拟了无取向硅钢片的磁特性和损耗特性的差异,以及玻尔兹曼公式计算体积分数对计算速度和精度的影响。最后,将上述磁滞模型应用到一台异步电机铁心磁性能的仿真计算中。通过ANSYS软件对异步电机磁场进行仿真计算,其中输入激励中含有谐波成分,根据仿真结果得到电机定子铁心节点一个周期的磁场强度,将磁场强度代入到多尺度能量模型得到了铁心的磁滞特性,为实现利用该磁滞模型解决实际工程问题的研究打下基础。